DE102018210170A1

DE102018210170A1 - Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102018210170A1
Application number: DE102018210170.1A
Authority: DE
Inventors: Adel Jilani; Siva Sankar Voosani Krishna
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2018-06-22
Filing date: 2018-06-22
Publication date: 2019-12-24
Also published as: US11764387B2; CN112368870A; US20210367258A1; WO2019242933A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (10) mit einer ersten Endplatte (51) und einer zweiten Endplatte (52) zwischen denen eine Vielzahl von Brennstoffzellen (11) angeordnet ist. Zumindest ein elastisches Spannelement (55) ist in Stapelrichtung (S) zwischen den Endplatten (51, 52) gespannt. Erfindungsgemäß ist das zumindest eine Spannelement (55) abschnittsweise zwischen einem Oberflächenabschnitt (70) des Brennstoffzellenstapels (10) und einem Nachspannelement (60) angeordnet, wobei ein Abstand zwischen dem Nachspannelement (60) und dem Oberflächenabschnitt (70) variabel einstellbar und feststellbar ist. Somit kann das Spannelement (55) mittels des Nachspannelements (60) gezielt gelängt und somit die auf den Brennstoffzellenstapel (10) wirkende Kompressionszugkraft erhöht werden. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenstapel (10).

Description

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zum Erzeugen elektrischer Energie. Hierfür weisen Brennstoffzellen eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA - membrane electrode assembly) mit einer Membran-Elektroden-Einheit auf.
Die Membran-Elektroden-Einheit wird durch eine protonenleitende Membran, PEM, gebildet, an der beidseitig katalytische Elektroden angeordnet sind. Dabei trennt die Membran den der Anode zugeordneten Anodenraum und den der Kathode zugeordneten Kathodenraum voneinander und isoliert diese elektrisch. Auf den nicht der Membran zugewandten Seiten der Elektroden können zudem Gasdiffusionslagen angeordnet sein.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird ein wasserstoffhaltiger Brennstoff der Anode zugeführt, an der eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen erfolgt. Über die elektrolytische Membran erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet.
Der Kathode wird ein sauerstoffhaltiges Betriebsmedium zugeführt, sodass dort eine Reduktion von O₂ zu O₂ ^- unter Aufnahme der Elektronen erfolgt. Diese Sauerstoffanionen reagieren im Kathodenraum mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
Ein Brennstoffzellenstapel ist in der Regel durch eine Vielzahl in einem Stapel (stack) in Stapelrichtung übereinander angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen sind üblicherweise Bipolarplatten angeordnet, die eine Versorgung der einzelnen MEA mit den Reaktanten und einer Kühlflüssigkeit sicherstellen sowie als elektrisch leitfähiger Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen fungieren.
Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten und den Bipolarplatten sind Dichtungen angeordnet, um die Anoden- und Kathodenräume nach außen abzudichten und ein Austreten der Betriebsmedien aus dem Stapel zu verhindern. Diese Dichtungen sind auf den Membran-Elektroden-Einheiten, den Bipolarplatten oder diesen beiden Komponenten vorgesehen.
Zum dauerhaften Abdichten des Stapels und zum Gewährleisten des elektrischen Kontakts zwischen Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Anordnungen wird der Brennstoffzellenstapel vor der Inbetriebnahme verpresst. Ferner werden Zugelemente eingesetzt, um den Brennstoffzellenstapel auch während des Betriebs zu verpressen.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Zugelemente bekannt. Beispielsweise können zwei an den Enden des Brennstoffzellenstapels angeordnete Endplatten mittels Zugelementen verbunden werden. Durch Einleiten von Zugkräften über die Zugelemente in die Endplatten wird der Brennstoffzellenstapel zusammengepresst. Als Zugelemente werden beispielsweise Gewindestäbe, Zuganker, Ketten oder dergleichen eingesetzt.
Ebenfalls bekannt ist die Verwendung von gespannten streifen- oder bandförmigen elastischen Spannelementen, die entweder mit den Endplatten verbunden sind oder den Stapel in zumindest einem Querschnitt (in Stapelrichtung) zumindest teilweise umlaufen. Hinsichtlich der Ausgestaltung und Befestigungsmöglichkeiten derartiger elastischer Spannelemente (Zugelemente) wird beispielsweise auf die EP 1 870 952 A2 und die DE 10 2012 000 266 A1 verwiesen, auf deren Inhalte hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird.
Insbesondere in den aktiven Bereichen des Brennstoffzellenstapels beziehungsweise der MEAs kann es zu betriebsbedingten Höhenänderungen kommen, die beispielsweise mit der Temperatur und dem Feuchtegehalt des Brennstoffzellenstapels variieren können. Man spricht auch davon, dass der Stapel atmet. Bei der Verwendung elastischer Spannelemente kann zudem die Elastizität dieser Spannelemente mit der Zeit abnehmen. Insbesondere bei metallischen Spannelementen, die den Brennstoffzellenstapel ringförmig umlaufen und somit mehrere deutliche Knicke aufweisen, kommt es insbesondere im Bereich dieser Umbiegungen zum Längen der Spannelemente.
Unabhängig von den Höhenänderungen des Brennstoffzellenstapels und der Alterung der Spannelemente muss stets eine ausreichende Kompression des Stapels gewährleistet werden, insbesondere um die Dichtwirkung der eingesetzten Dichtungen zu garantieren. Aus dem Stand der Technik sind daher bereits Mittel bekannt, mit denen versucht werden soll, die Kompression eines Brennstoffzellenstapels dauerhaft zu gewährleisten.
Die DE 10 2006 028 498 A1 offenbart eine Spannvorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel mit zumindest einem Zugelement zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels und zumindest einem elastischen Längendehnungsausgleichselement, welches in ein Zugelement integriert ist oder zwei Zugelemente miteinander verbindet.
Die DE 10 2010 007 979 A1 offenbart einen Brennstoffzellenstapel mit zwischen zwei Endplatten angeordneten Brennstoffzellen und mindestens einem die Endplatten verbindenden Verspannungsmittel zum Ausüben einer Zugkraft. Zwischen dem Verspannungsmittel und zumindest einer der Endplatten ist ein reibungsminderndes Umlenkmittel angeordnet. Eine Höhenänderung des Stapels soll durch zwischen einer Endplatte und einer Kompressionsplatte angeordnete komprimierte Federelemente ausgeglichen werden.
Gemäß diesem Stand der Technik sollen Spannungsspitzen aufgrund der Ausdehnung des Stapels durch elastische Elemente vermieden werden. Ein anfängliches Überspannen der elastischen Elemente soll eine Höhenänderung des Stapels sogar zum Teil vermeiden. Die elastischen Elemente unterliegen jedoch selbst einer Alterung und zumindest insofern sind diese passiven Möglichkeiten zur Einstellung der Kompressionskraft nachteilig.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen mit zwischen den Endplatten und anderen Stapelkomponenten, beispielsweise Kompressionsplatten, angeordneten komprimierten Federelementen sind in der Regel Vertiefungen in den Endplatten vorgesehen, um die Federelemente aufzunehmen. Die damit verbundenen lokalen Schwächungen der Endplatten erhöhen deren Deformationsneigung unter einwirkenden Druck- oder Zugkräften.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Lösung zum Nachspannen eines Brennstoffzellenstapels bereitzustellen, welche ohne große Anpassung in bestehende Brennstoffzellenstapel integrierbar ist, insbesondere in solche mit umlaufenden band- oder streifenförmigen Spannelementen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Brennstoffzellenstapel mit einer ersten Endplatte und einer zweiten Endplatte und einer Vielzahl von in Stapelrichtung zwischen den zwei Endplatten angeordneten Brennstoffzellen. Ferner weist der Brennstoffzellenstapel zumindest ein in Stapelrichtung zwischen den Endplatten gespanntes elastisches Spannelement auf. Zumindest ein Spannelement ist abschnittsweise zwischen einem Oberflächenabschnitt des Brennstoffzellenstapels und einem Nachspannelement angeordnet.
Erfindungsgemäß ist ein Abstand zwischen dem Nachspannelement und dem Oberflächenabschnitt, bevorzugt ein Abstand in Normalenrichtung des Oberflächenabschnitts, variabel einstellbar. Besonders bevorzugt ist der Abstand zwischen einem Punkt des Nachspannelements, bevorzugt einem Punkt der von dem Oberflächenabschnitt in Normalenrichtung am wenigsten entfernt ist, und dem Oberflächenabschnitt mittels des zumindest einen Stellmittels variabel einstellbar. Darüber hinaus ist das Nachspannelement erfindungsgemäß in einem gewählten Abstand, bevorzugt einem gewählten Abstand in Normalenrichtung des Oberflächenabschnitts, zum Oberflächenabschnitt feststellbar (fixierbar). Bevorzugt ist bei Feststellung beziehungsweise Fixierung des Nachspannelements eine Verlagerung des Nachspannelements durch eine vom Spannelement ausgeübte Kraft unterbunden.
Der Brennstoffzellenstapel gemäß der Erfindung ermöglicht somit ein Nachspannen des zumindest einen Spannelements durch Verkleinern des festen Abstands zwischen dem Nachspannelement und einem Oberflächenabschnitt des Brennstoffzellenstapels und somit zwischen dem Nachspannelement und dem Spannelement. Da das Spannelement zwischen Oberflächenabschnitt und Nachspannelement angeordnet ist, führt ein Verringern des Abstandes von Nachspannelement und Oberflächenabschnitt ab einem gewissen Punkt zum Kontakt von Nachspannelement und Spannelement.
Greift das Nachspannelement in das Spannelement ein, übt es eine in Richtung des Oberflächenabschnitts gerichtete Kraft auf das Spannelement aus. Dies bewirkt ein Längen des Spannelements, wodurch die von diesem auf den Brennstoffzellenstapel ausgeübte Kompressionszugkraft ansteigt. Bevorzugt ist das elastische Spannelement des Brennstoffzellenstapels im Hook'schen Bereich gespannt. Ferner bevorzugt ermöglicht das erfindungsgemäße Nachspannelement ein Nachspannen des Spannelements in einer Stapelrichtung (S) des Brennstoffzellenstapels und/oder quer zu einer Stapelrichtung (S) des Brennstoffzellenstapels. Ferner vorteilhaft kann die Stapelkompression auch lokal durch Manipulation nur eines oder einiger der Mehrzahl von Nachspannelementen gezielt eingestellt werden.
Der besagte Oberflächenabschnitt kann an verschiedenen Stellen des Brennstoffzellenstapels angeordnet sein. Ist das zumindest eine Spannelement an jeweils einer Seitenfläche der ersten und zweiten Endplatte mittels Spannmitteln fixiert, befindet sich der Oberflächenabschnitt bevorzugt zwischen den Spannmitteln auf einer Seitenfläche des Brennstoffzellenstapels. Ein Nachspannen des Spannelements mittels des zumindest einen Nachspannelements erfolgt dann bevorzugt in einer Richtung quer zur Stapelrichtung (S) des Brennstoffzellenstapels. Ist das Spannelement hingegen jeweils an einer in Stapelrichtung nach außen weisenden Oberflächen einer ersten und zweiten Endplatte fixiert oder ringförmig geschlossen ausgebildet, befindet sich der Oberflächenabschnitt bevorzugt auf zumindest einer der nach außen weisenden Oberflächen der ersten oder zweiten Endplatte. Befindet sich der Oberflächenabschnitt auf zumindest einer der nach außen weisenden Oberflächen der ersten und/oder zweiten Endplatte, erfolgt ein Nachspannen des Spannelements mittels des Nachspannelements bevorzugt in einer Richtung parallel zu der Stapelrichtung (S).
Bei dem Spannelement handelt es sich bevorzugt um ein aus dem Stand der Technik bekanntes elastisches Spannelement, welches jeweils an den Endplatten des Brennstoffzellenstapels befestigt ist oder den Brennstoffzellenstapel in zumindest einem Querschnitt entlang der Stapelrichtung im Wesentlichen vollständig (mit anderen Worten ringförmig) umläuft. Dabei kann das Spannelement zumindest abschnittsweise flächig an einer Oberfläche des Brennstoffzellenstapels anliegen, ist jedoch, zumindest im nicht nachgespannten Zustand, von dem oben genannten Oberflächenabschnitt beabstandet. Beispielsweise stehen die Endplatten in lateraler Richtung über die Brennstoffzellen über, so dass das Spannelement einen Abstand zu den Seitenwänden der Brennstoffzellen aufweist. In diesem Fall wäre der Oberflächenabschnitt Teil einer Seitenwand des Brennstoffzellenstapels. Alternativ, ist der Oberflächenabschnitt Teil einer der Endplatten des Stapels. Somit ist das zumindest eine Spannelement abschnittsweise zwischen einem Oberflächenabschnitt einer der Endplatten und dem Nachspannelement angeordnet. Auch in diesem Fall können Abstandshalter genutzt werden, um einen anfänglichen Abstand zwischen Spannelement und Oberflächenabschnitt der Endplatte zu realisieren, um Raum zum Nachspannen bereitzustellen.
Das Spannelement ist bevorzugt als band- oder streifenförmiges flexibles und/oder elastisches Spannelement ausgebildet, wie beispielsweise aus der EP 1 870 952 A2 bekannt. Das Spannelement besteht bevorzugt aus einem elastischen Kunststoff, einem elastischen Polymer (z.B. Nylon) oder einem elastischen Metall, und weist bei Standardbedingungen ein Elastizitätsmodul > 1 GPa und besonders bevorzugt > 5 GPa entlang der Spannrichtung auf.
Das Spannelement ist ferner bevorzugt stoffschlüssig und/oder mittels mindestens eines Spannmittels an zumindest einer Stapelendplatte fixiert. Um eine einfache Demontage des Brennstoffzellenstapels zu gewährleisten, ist das Spannelement bevorzugt an mindestens einer Endplatte des Stapels lösbar fixiert. Besonders bevorzugt ist das Spannelement an der Endplatte eingehängt. Hierfür weist die Endplatte bevorzugt zumindest einen Einhängehaken zum Einhängen des Spannelements an einer seiner Seitenflächen oder auf seiner in Stapelrichtung nach außen weisenden Oberfläche auf. Ebenfalls bevorzugt weist das Spannelement mindestens eine Einhängeöffnung zum Einhängen an einem Einhängehaken auf.
Alternativ erstreckt sich das zumindest eine Spannelement in einem Querschnitt in Stapelrichtung zumindest im Wesentlichen um einen Umfang des Brennstoffzellenstapels. Dabei ist ein Spannelement an mindestens einem seiner Endbereiche an einem anderen Endbereich desselben Spannelements oder an einem anderen Spannelement fixiert. Das Spannelement kann also ringförmig geschlossen ausgebildet sein.
Besonders bevorzugt ist der Endbereich des zumindest einen Spannelements formschlüssig mit einem anderen Endbereich desselben Spannelements verbunden, beispielsweise durch eine Crimpverbindung. Ebenfalls bevorzugt ist ein Endbereich des zumindest einen Spannelements mittels einer Befestigungsvorrichtung an einem anderen Endbereich desselben oder eines anderen Spannelements fixiert. Besonders bevorzugt ist ein Endbereich des zumindest einen Spannelements an einem anderen Endbereich desselben oder eines anderen Spannelements verschweißt.
Besonders bevorzugt weist der Brennstoffzellenstapel eine Mehrzahl von in Stapelrichtung zwischen den Endplatten gespannten beziehungsweise den Brennstoffzellenstapel ringförmig umlaufenden Spannelementen auf. Dabei ist eines oder sind mehrere, bevorzugt alle, der Spannelemente zwischen einem Oberflächenabschnitt des Brennstoffzellenstapels und einem entsprechenden Nachspannelement angeordnet. Der Brennstoffzellenstapel weist besonders bevorzugt ein Nachspannelement für jedes Spannelement auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Nachspannelement zumindest einen mit dem Oberflächenabschnitt über zumindest ein Stellelement verbundenen Spannkörper auf. Ferner bevorzugt ist das zumindest eine Stellmittel dazu eingerichtet, den Spannkörper in einem variablen Abstand zum Oberflächenabschnitt festzustellen (zu fixieren). Bevorzugt wird durch die Feststellung beziehungsweise Fixierung des Stellelements eine weitere ungewollte Verlagerung des Spannkörpers durch eine vom Stellelement oder Spannelement ausgeübte Kraft vermieden. Mit anderen Worten ist das zumindest eine Stellelement dafür eingerichtet, einen Abstand zwischen dem Spannkörper und dem Oberflächenabschnitt variabel einzustellen.
Der Spannkörper des Nachspannelements ist dabei bevorzugt an die Form und das Material des Spannelements angepasst. Bei der Verwendung von band- oder streifenförmigen Spannelementen weist der Spannkörper bevorzugt eine die Breite des Spannelements übersteigende Breite auf. Die über das Spannelement überstehenden Bereiche des Spannkörpers sind dann bevorzugt im Eingriff mit den Stellelementen. Vorteilhaft wirkt somit nur der Spannkörper auf das Spannelement ein, wobei die Stellelemente nicht in Kontakt mit dem Spannelement stehen oder dieses beschädigen können.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Spannkörper eine mit dem zumindest einen Stellelement verbundene Trägerplatte, insbesondere eine flächig ausgedehnte Trägerplatte, und zumindest eine in Richtung des Spannelements von der Trägerplatte vorspringende Erhebung auf. Dabei tritt beim Nachspannen vorteilhaft nur oder zumindest vorrangig die Erhebung der Trägerplatte mit dem Spannmittel in Kontakt. Wird die Trägerplatte durch ein an deren Randbereich angreifendes Stellmittel verlagert, wird also nur oder vorrangig durch die Erhebung eine Kraft auf das Spannmittel ausgeübt. Besonders bevorzugt ist die Erhebung so ausgeformt, dass diese Kraft möglichst gleichmäßig auf das Spannelement ausgeübt wird.
Beispielsweise ist eine Breite der Erhebung an die Breite des Spannelements angepasst oder sogar zu dieser identisch. Ferner bevorzugt weist die Erhebung zumindest eine gerundete Flanke in Stapelrichtung auf und ist beispielsweise als halbzylinderförmige Erhebung ausgebildet.
Ebenfalls bevorzugt weist das zumindest eine Stellelement ein in ein Gewindeloch des Oberflächenabschnitts eingreifendes Außengewinde auf. Der Abstand zwischen dem Nachspannelement und dem Oberflächenabschnitt ist somit vorteilhaft durch manuelle oder automatische Drehung des zumindest einen Stellelements veränderbar. Besonders bevorzugt wird ein Feingewinde verwendet, um eine möglichst genaue Einstellbarkeit des Abstands zu ermöglichen. Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Stellelementen um eine Vielzahl von Gewindebolzen, die durch einen über das Spannelement überstehenden Bereich der Trägerplatte hindurch geführt sind und in entsprechende Gewindelöcher des Oberflächenabschnitts eingreifen. Das Verdrehen der Gewindebolzen erfolgt bevorzugt durch einen Werkzeugeingriff. Ebenfalls bevorzugt ist der Gewindebolzen magnetisch drehbar.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform des Brennstoffzellenstapels ist das zumindest eine Stellelement in den Spannkörper einfahrbar ausgebildet. Mit anderen Worten ragt das Stellelement in einer ersten Konfiguration zumindest abschnittsweise aus dem Spannkörper hervor und ist in einer zweiten Konfiguration weiter in dem Spannkörper versenkt, als in der ersten Konfiguration. Dabei ist das zumindest eine Stellelement fest mit dem Oberflächenabschnitt verbunden, so dass durch Einfahren des Stellelements in den Stellkörper der Abstand von Stellkörper und Oberflächenabschnitt verringert wird. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem zumindest einen Stellelement um einen mittels Mikroaktuatoren in den Spannkörper hereinfahrbaren Bolzen. Ebenfalls bevorzugt ist das zumindest eine Stellelement pneumatisch oder hydraulisch in den Spannkörper einfahrbar.
Alternativ oder zusätzlich ist das zumindest eine Stellelement kontrahierbar ausgebildet ist. Beispielsweise ist das Stellelement als Scherenantrieb ausgebildet oder weist einen Scherenantrieb auf. Ebenfalls bevorzugt ist das Stellelement hohlförmig ausgebildet und mittels Auslass eines Fluides kontrahierbar. Ebenfalls bevorzugt ist das zumindest eine Stellelement fernsteuerbar ausgebildet. Das variable Einstellen eines festen Abstands zwischen dem Spannkörper und dem Oberflächenabschnitt erfolgt somit mittels Fernsteuerung, zum Beispiel mittels Funkfernsteuerung.
Bevorzugt weist der Oberflächenabschnitt des Brennstoffzellenstapels, insbesondere der Oberflächenabschnitt der Endplatte, zumindest eine Aussparung auf. Diese Aussparung ist bevorzugt zur zumindest teilweisen Aufnahme des Nachspannelements beim Verringern des Abstands zwischen Nachspannelement und Brennstoffzellenstapel ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die zumindest eine Aussparung zur Aufnahme der zumindest einen Erhebung, wie obenstehend beschrieben, ausgebildet. Insbesondere entspricht eine Tiefe der Aussparung in Normalenrichtung des Oberflächenabschnitts zumindest der Höhe der Erhebung. Ebenfalls bevorzugt ist die zumindest eine Aussparung in einer der Endplatten angeordnet.
Die vorbeschriebene Ausführungsform ermöglicht vorteilhaft, dass das zumindest eine Spannelement in einer ersten Konfiguration eben an den Oberflächen des Brennstoffzellenstapels anliegt und sich über die Aussparung hinweg erstreckt. In einer zweiten Konfiguration ist der Abstand zwischen Nachspannelement und Oberflächenabschnitt so verringert, dass das Spannelement durch das Nachspannelement in die Aussparung hineingepresst wird. Somit liegt das Spannmittel nur noch abschnittsweise eben und flächig an der Oberfläche an und ist im Bereich der Aussparung durch das Nachspannelement entgegen der Normalenrichtung der Oberfläche gestreckt (gedehnt/ gelängt). Durch das Längen des Spannmittels nimmt die von diesem ausgeübte Kompressionszugkraft wie bei einer Feder zu.
Ebenfalls bevorzugt ist das Nachspannelement beim initialen Spannen der Spannmittel bereits teilweise in der Aussparung versenkt. Durch Vergrößern des Abstands zwischen Spannkörper und Oberflächenabschnitt und Entfernen (Heben) des Spannkörpers aus der Aussparung ist somit ein Verringern der Kompressionskraft, beispielsweise zur Kompensation eines betriebsbedingten Anstiegs der Stapelhöhe, möglich. Das Verwenden einer Aussparung ermöglicht zudem den Verzicht auf Abstandshalter, um einen Abstand zwischen Spannelement und Brennstoffzellenstapel zu bewirken.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform ist ein Umlenkmittel in zumindest einem von dem zumindest einen Spannelement überspannten Kantenbereich des Brennstoffzellenstapels angeordnet. Besonders bevorzugt ist ein Umlenkmittel in zumindest einem von dem zumindest einen Spannelement überspannten Kantenbereich der ersten Endplatte und/oder der zweiten Endplatte angeordnet. Das Umlenkmittel ist insbesondere dazu ausgebildet, eine Reibung zwischen dem Spannelement und dem Kantenbereich zu verringern. Diese Reibungsverminderung ermöglicht vorteilhaft eine wiederholte und fein justierbare Einstellbarkeit der Stapelspannung über den veränderbar fixierbaren Abstand zwischen Nachspannelement und Stapel.
Bei dem Umlenkmittel handelt es sich bevorzugt um eine gleitreibungsarme Oberfläche, beispielsweise durch eine entsprechende Beschichtung. Ebenfalls bevorzugt handelt es sich bei dem Umlenkmittel um eine Umlenkrolle. Ebenfalls bevorzugt ist das Umlenkmittel in zumindest einer der Endplatten angeordnet. Für weitere Details zur Ausgestaltung der Umlenkmittel wird hiermit vollumfänglich auf die DE 10 2010 007 979 A1 Bezug genommen.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ist zumindest einer von der ersten Endplatte und der zweiten Endplatte segmentiert ausgebildet. Bevorzugt verläuft über jedes dieser Segmente zumindest ein Spannelement mit Nachspannelement. Die Entkopplung der einzelnen Spannelemente durch Segmentierung der Endplatten ermöglicht vorteilhaft eine lokale Variation der Stapelkompression.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Fahrzeug, insbesondere ein elektromotorisch betriebenes Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel, wie vorstehend beschrieben. Der Brennstoffzellenstapel dient dabei insbesondere dem Speisen eines Elektromotors des Fahrzeugs.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Die verschiedenen, in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik;
2 einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl den Stapel komprimierender Spannelemente gemäß dem Stand der Technik;
3 einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl den Stapel komprimierender Spannelemente und einem Nachspannelement gemäß einer Ausführungsform;
4 eine Schnittdarstellung des Brennstoffzellenstapels der 3;
5 eine isolierte Darstellung des Nachspannelements; und
6 einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl den Stapel komprimierender Spannelemente und einem Nachspannelement gemäß einer alternativen Ausführungsform.

1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß dem Stand der Technik. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14 mit einer hier nicht näher dargestellten ionenleitfähigen Polymerelektrolytmembran sowie beidseits daran angeordneten katalytischen Elektroden. Diese Elektroden katalysieren die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffumsetzung. Die Anoden- und Kathodenelektrode sind als Beschichtung auf der Membran ausgebildet und weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt.
Wie in der Detaildarstellung der 1 gezeigt, ist zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode ein Anodenraum 12 ausgebildet und ist zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13 ausgebildet. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmittel in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmitteln zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmittels (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Das Einstellen des Einspeisedrucks des Anodenbetriebsmediums in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 erfolgt über ein Dosierventil 27.1. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt.
Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 eine Rezirkulationsleitung 24 auf, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Brennstoffzellenstapel 10 zurückzuführen. In der Rezirkulationsleitung 24 sind eine Rezirkulationsfördereinrichtung 25, vorzugsweise ein Rezirkulationsgebläse, sowie ein Klappenventil 27.2 angeordnet.
In der Anodenversorgung 22 des Brennstoffzellensystems ist ferner ein Wasserabscheider 26 verbaut, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser abzuleiten. Ein Ablass des Wasserabscheiders kann mit der Kathodenabgasleitung 32, einem Wassertank oder einer Abgasanlage verbunden sein.
Die Kathodenversorgung 30 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmittel zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt.
Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmittels ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt.
Das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 100 weist ferner ein stromaufwärts des Verdichters 33 in der Kathodenversorgungsleitung 31 angeordnetes Befeuchtermodul 39 auf. Das Befeuchtermodul 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass es von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist es so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Ein Befeuchter 39 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird.
Das Brennstoffzellensystem 100 weist ferner einen die Kathodenversorgungsleitung stromaufwärts und stromabwärts des Befeuchters 39 miteinander verbindenden Befeuchterbypass 37 mit einem darin angeordneten Klappenventil als Bypassstellmittel 38 auf. Ferner sind Klappenventile 27.3 und 27.4 stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 10 in der Anodenversorgungsleitung 31 beziehungsweise stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 10 in der Anodenabgasleitung 32 angeordnet.
Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. Beispielsweise kann die Anodenabgasleitung 22 in die Kathodenabgasleitung 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden.
Die 2 zeigt eine Detaildarstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß dem Stand der Technik, der in dem Brennstoffzellensystem 100 der 1 angeordnet sein kann. Der Brennstoffzellenstapel 10 weist eine Mehrzahl von in Stapelrichtung S flächig aufeinander gestapelten Brennstoffzellen auf.
In Stapelrichtung ist der Brennstoffzellenstapel 10 von einer ersten Endplatte 51 und einer gegenüberliegenden zweiten Endplatte 52 begrenzt. In einer ersten Richtung quer zur Stapelrichtung S ist der Brennstoffzellenstapel 10 durch Seitenverkleidungen 53, 54 begrenzt. In einer zweiten Richtung quer zur ersten Richtung und quer zur Stapelrichtung S ist der Brennstoffzellenstapel 10 durch Seitenverkleidungen 56, 57 begrenzt.
Der in 2 gezeigte Brennstoffzellenstapel 10 ist über eine Mehrzahl von insgesamt fünf Spannelementen 55 komprimiert. Jedes Spannelement 55 umläuft dabei einen Querschnitt des Brennstoffzellenstapels 10 vollständig, wobei es die Endplatten 51, 52 sowie die Seitenverkleidungen 56, 57 überstreicht. Die Spannelemente 55 liegen dabei an den Endplatten 51, 52 und den Seitenverkleidungen 56, 57 an. Jedes Spannelement 55 ist in einem Bereich der oberen Endplatte 51 mit sich selbst verschweißt. Zum Komprimieren des Brennstoffzellenstapels 10 erfolgt das Verschweißen der Spannelemente 55 mit sich selbst, während diese unter Zugspannung stehen. Ein Nachspannen der Spannelemente 55 ist bei dem Brennstoffzellenstapel 10 gemäß der 2 nicht möglich.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieser unterscheidet sich von dem bekannten Brennstoffzellenstapel der 2 dadurch, dass jedes der fünf Spannelemente 55 in entsprechenden Oberflächenabschnitten 70 (nur für ein Spannelement dargestellt) zwischen dem jeweiligen Oberflächenabschnitt 70 und einem Nachspannelement 60 angeordnet ist. Eine isolierte Darstellung eines solchen Nachspannelements 60 ist in der 5 gegeben und der Eingriff desselben mit dem Brennstoffzellenstapel 10 ist in einer Schnittdarstellung der 4 im Detail dargestellt.
Wie in den 3 und 4 ersichtlich, sind die Nachspannelemente 60 in einem mittigen Bereich der ersten Endplatte 51 angeordnet. Wie in 5 gezeigt, weist jedes der Nachspannelemente 60 einen Spannkörper 61 auf, der aus einer Trägerplatte 63 und einer sich von dieser in Richtung des Oberflächenabschnitts 70 erstreckenden Erhebung 64 besteht. In den Ecken der Trägerplatte 63 sind Öffnungen 65 vorgesehen. Wie in den 3 und 4 ersichtlich, sind Bolzen 66 mit Außengewinde beziehungsweise Gewindestangen 66 durch die Öffnungen 65 hindurchgeführt und mit Gewindelöchern (nicht dargestellt) in dem Oberflächenabschnitt 70 in Eingriff.
In einer Ausgangskonfiguration sind die Nachspannelemente 60 durch die Stellelemente 66 so von dem Oberflächenabschnitt 70 beabstandet, dass die Erhebung 64 das Spannelement 55 nicht berührt. Werden die Stellmittel 66 mit einem geeigneten Werkzeug gedreht, so wird der Spannkörper 61 der Nachspannelemente 60 entlang oder entgegen der Stapelrichtung S verlagert. Durch Drehung der Bolzen 66 kann somit ein Abstand zwischen dem Nachspannelement 60 und dem Oberflächenabschnitt 70 verringert werden.
Wird der Abstand der Nachspannelemente 60 zum Oberflächenabschnitt 70 durch Drehung der Bolzen 66 verringert, kommt die Erhebung 64 des Nachspannelements 60 in Eingriff mit dem Spannelement 55, wodurch dieses gelängt wird. Dabei gleitet das Spannelement 55 auf Umlenkrollen 58 ab, die jeweils in einem von dem Spannelement 55 überspannten Kantenbereich 80 der ersten und zweiten Endplatte 51, 52 angeordnet sind. Durch das Längen des Spannelements 55 erhöht sich die von diesem auf den Brennstoffzellenstapel 10 ausgeübte Kraft und die Stapelkompression.
Im Bereich des Nachspannelements 60 ist ferner eine Aussparung 71 in dem Oberflächenabschnitt 70 der Endplatte 51 angeordnet. Durch weiteres Drehen der Bolzen 66 wird das Spannelement 55 schließlich von der Erhebung 64 in die Aussparung 71 gepresst, wie in 4 angedeutet. Die Höhe der Erhebung 64 entspricht dabei höchstens der Tiefe der Aussparung 71 in einer Normalenrichtung des Oberflächenabschnitts 70. Eine Beschädigung des Spannelements 55 durch Pressen des Spannelements 55 gegen den Oberflächenabschnitt 70 ist somit ausgeschlossen.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 6 gezeigt. Diese unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die erste Endplatte 51 segmentiert ist. Mit anderen Worten besteht die erste Endplatte aus fünf ersten Endplattensegmenten 51a, 51b, 51c, 51d, 51 e. Jeweils ein Spannelement 55 verläuft dabei über je ein Endplattensegment 51a, 51b, 51c, 51d, 51e und ist in einem Oberflächenbereich 70 des jeweiligen Endplattensegments 51a, 51b, 51c, 51d, 51e zwischen diesem Oberflächenbereich 70 und einem jeweiligen Nachspannelement 60 angeordnet. Dies ermöglicht vorteilhaft eine lokale Einstellung der Stapelkompression durch Längen eines Spannelements 55 durch das jeweilige Nachspannelement 60 und Kraftweiterleitung mittels des jeweiligen Endplattensegments 51a, 51b, 51c, 51d, 51e weitgehend unabhängig von den restlichen Endplattensegmenten 51a, 51b, 51c, 51d, 51e. Somit lassen sich auch deutliche Gradienten der Stapelkompressionszugkraft realisieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1870952 A2 [0009, 0023]
DE 102012000266 A1 [0009]
DE 102006028498 A1 [0012]
DE 102010007979 A1 [0013, 0039]

Claims

Brennstoffzellenstapel (10), aufweisend eine erste Endplatte (51) und eine zweite Endplatte (52); eine Vielzahl von zwischen den Endplatten (51, 52) angeordneten Brennstoffzellen (11); zumindest ein in Stapelrichtung (S) zwischen den Endplatten (51, 52) gespanntes elastisches Spannelement (55); dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Spannelement (55) abschnittsweise zwischen einem Oberflächenabschnitt (70) des Brennstoffzellenstapels (10) und einem Nachspannelement (60) angeordnet ist, und ein Abstand zwischen dem Nachspannelement (60) und dem Oberflächenabschnitt (70) variabel einstellbar und feststellbar ist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 1, wobei das Nachspannelement (60) zumindest einen mit dem Oberflächenabschnitt (70) über zumindest ein Stellelement (66) verbundenen Spannkörper (61) aufweist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 2, wobei der Spannkörper (61) eine mit dem zumindest einen Stellelement (66) verbundene Trägerplatte (63) und zumindest eine in Richtung des Spannelements (55) von der Trägerplatte vorspringende Erhebung (64) aufweist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das zumindest eine Stellelement (66) ein in ein Gewindeloch des Oberflächenabschnitts (70) eingreifendes Außengewinde aufweist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach den Ansprüchen 3 und 4, wobei die Trägerplatte (63) über eine Mehrzahl von Gewindebolzen (66) an dem Oberflächenabschnitt (70) befestigt ist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Oberflächenabschnitt (70) zumindest eine Aussparung (71) aufweist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach den Ansprüchen 3 und 6, wobei die zumindest eine Aussparung (71) zur Aufnahme der zumindest einen Erhebung (64) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Umlenkmittel (58) in zumindest einem von dem zumindest einen Spannelement (55) überspannten Kantenbereich angeordnet ist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Endplatte (51) und/oder die zweite Endplatte (52) segmentiert ausgebildet ist.
Fahrzeug mit einem Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.